基于DSP的電動機速度調(diào)控試驗臺的開發(fā)

Abstract: For the combination of motor control and the information system, and the improvement of motor control system, it’s necessary to implement the digital control on the motor control. A new motor control system based on DSP chip is developed in this paper. The hardware of the system is consists of two parts: the main controller circuit board and the main circuit board.

Keywords: DSP; Velocity Control; Motor; Control Circuit

1 引言

由于不同的電動機系統(tǒng)需要用不同的數(shù)字變頻系統(tǒng)來控制,所以人們都要編寫專用的控制器軟件。一個新的速度調(diào)控算法是否可行,必須通過實驗來驗證,通常的做法是:利用MATLAB軟件包進行仿真,檢驗算法的理論可行性,在理論可行的基礎(chǔ)上設(shè)計并制作一套實際電路,通過實踐來檢驗。采用這種方法,一個速度調(diào)控算法從提出到最后實踐檢驗通過,一般需要半年以上的時間,周期較長,影響延緩了技術(shù)更新的速度。我們設(shè)計這個數(shù)字化電動機通用控制試驗臺主要有以下兩個目的。

第一,數(shù)字化電動機通用控制試驗臺是給剛接觸電動機速度調(diào)控控制的人們提供一套可以直接進行電動機速度調(diào)控控制的試驗臺。

第二,數(shù)字化速度調(diào)控的通用控制試驗臺是給專門研究速度調(diào)控算法的研究人員提供完備的速度調(diào)控研究設(shè)備。。

2 硬件試驗平臺結(jié)構(gòu)介紹

數(shù)字化通用控制試驗臺的硬件平臺由幾個部分組成:一是負(fù)責(zé)控制算法的主控芯片及外圍設(shè)備,系統(tǒng)中選用了TI公司的TMS320F2812 DSP控制器,它功能強大,運行速度快,是專門為電動機控制應(yīng)用優(yōu)化的控制芯片,完成各種模擬、數(shù)字信號的采樣;一是電動機驅(qū)動電路,完成交-直-交變頻速度調(diào)控的功率驅(qū)動;還有就是用于實驗的電動機機組。有了這三部分,數(shù)字化速度調(diào)控控制研究就有了實驗臺,可以進行實驗,驗證速度調(diào)控算法的實際運行效果。圖1給出了數(shù)字化通用速度調(diào)控試驗臺的硬件平臺結(jié)構(gòu)圖。

3 控制芯片TMS320F2812

數(shù)字化通用控制試驗臺當(dāng)然不能沒有負(fù)責(zé)控制的CPU。本試驗臺采用的是TI公司的TMS320F2812 DSP,該系列處理器是基于TMS320C2xx內(nèi)核的定點數(shù)字信號處理器。器件上集成了多種先進的處設(shè),為電動機及其他運動控制領(lǐng)域應(yīng)用的實現(xiàn)提供了良好的試驗臺。F281x系列DSP有很高的運算精度(32位)和系統(tǒng)的處理能力(達(dá)到150MIPS)。16通道高性能12位ADC單元提供了兩個采樣保持電路,可以實現(xiàn)雙通道信號同步采樣。TI公司的TMS320F2812控制芯片完全可以滿足高性能的數(shù)字化通用控制試驗臺的主控芯片的要求。下面分別簡單介紹該DSP控制器的各個模塊。

圖1 數(shù)字化通用速度調(diào)控試驗臺的硬件平臺結(jié)構(gòu)圖

4 DSP主控板

DSP主控板主要是主要的控制部分,核心是TI公司的TMS320F2812 DSP控制器,提供控制器可以正常運行的一切條件以及和外圍設(shè)備的硬件接口,這些外圍設(shè)備的接口包括外部存儲器、通訊以及和功率驅(qū)動的接口,及信號采樣電路等主要是弱電控制部分。

4.1 DSP控制器需要的電源

DSP是整個控制板的核心部分,如果要讓其能夠正常的運行,就必須給DSP提供一個合適的電源。該主控板的芯片是TI的TMS320F2812,它要求雙電源來給CPU、FLASH、ADC和I/O上電。CPU的電源電壓是1.8V(135MHz)或者是1.9V(150MHz)。Flash的編程電壓和I/O電壓均是3.3V。我們先設(shè)計輸出為5V/+-15V/18V的開關(guān)電源,然后用芯片實現(xiàn)5V到3.3V及1.8/1.9V的電源轉(zhuǎn)換,提供給DSP控制器正常的工作電壓。+-15V用作一些采樣電路中運放的電源。

4.2 DSP控制器的時鐘

DSP控制器要能夠正常地工作,除了要有電源之外,還有提供時鐘源。TMS320F2812 DSP控制器有一個在片、基于PLL的時鐘模塊。這個模塊提供了所有必要的時鐘信號,PLL有4個倍率控制比特來選擇不同的CPU時鐘速率。

由于晶振的頻率穩(wěn)定,是目前使用最多的外部時鐘源。下面給出了典型0MHZ的外部石英晶振的特性如下,如圖2所示。

圖2 30MHz石英晶振的特征圖

4.3 擴展RAM

由于我們的數(shù)字化通用控制試驗臺的程序量和數(shù)據(jù)處理量都比較大,我們在DSP控制器系統(tǒng)板上擴展了512K16的外部RAM。我們選擇了Zone6來擴展外部RAM。

4.4 通訊模塊

DSP控制板具有很強的通訊功能。通訊模塊包括了JTAG,CAN,SPI和以太網(wǎng)模塊。以太網(wǎng)模塊模塊的接口主要用來在計算機和DSP控制器之間傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

由于我們用到了以太網(wǎng)通訊,這里簡要的介紹一下我們用到的以太網(wǎng)控制器RTL8019AS,它的主要性能如下:符合Ethernet II與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn);全雙工,收發(fā)可同時達(dá)到10Mbps;16KB的SRAM,用于收發(fā)緩沖降低對主處理器的速度要求。8/16位數(shù)據(jù)總系線,8個中斷申請以及16個I/O基址選擇;內(nèi)部可分為:遠(yuǎn)程DMA接口(是指DSP與RTL8019AS內(nèi)部RAM進行讀寫的接口);本地DMA接口(是指RTL8019AS與網(wǎng)線的接口);MAC邏輯功能:當(dāng)控制器向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時,先將一幀數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū),然后發(fā)出傳送命令;當(dāng)RTL8019AS完成了上一幀的發(fā)送后,再開始此幀的發(fā)送。RTL819接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較、CRC校驗后,由FIFO存到接收緩沖區(qū);收滿一幀后,以中斷或寄存器標(biāo)志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對收發(fā)數(shù)據(jù)作16字節(jié)的緩沖,以減少對本地DMA請求的頻率。

RTL8019AS的65腳jp的功能在于選擇配置RTL8019AS與控制其處理器的接口工作模式,設(shè)計中通過將其設(shè)為高電平選擇跳線方式,即RTL8019AS的I/O和中斷由跳線決定,不需外擴EEPROM存儲信息來控制RTL8019AS的I/O和中斷。減少了連線,提高了高頻電路的穩(wěn)定性。以太網(wǎng)的接口電路框圖如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)的接口電路框圖

4.5 AD采樣模塊

DSP控制板包含了電動機控制的AD采樣模塊,包括直流母線電壓,電流采樣,三相電壓采樣及兩路備用采樣電路,其余沒有用到的AD采樣通道均以接口方式接出,以備不時之需。所有的AD采樣信號都先通過濾波、電平處理和電壓鉗位等調(diào)理電路,使輸入DSP AD模塊的采樣檢測信號電壓大小在DSP控制器的容許電平范圍內(nèi)(0~3V),以免燒毀DSP控制器。

4.6帶硬件死區(qū)PWM控制信號

我們的PWM信號都是由DSP控制器的事件管理器EVA模塊產(chǎn)生的,在系統(tǒng)板上,我們防止逆變器中上下臂直通造成短路,設(shè)置了一個硬件死區(qū)電路,保證上下臂不會同時導(dǎo)通,留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短主要由器件關(guān)斷時間決定。但死區(qū)時間不能太長,因為死區(qū)時間會給輸出PWM波帶來影響,使其稍稍偏離正弦波。

5 主電路設(shè)計

主電路主要包括EMI濾波、整流電路和開關(guān)逆變電路。

5.1 EMI濾波電路

為了減少干擾,我們采用了EMI濾波電路,如圖4。

圖4 EMI濾波電路

電路中包括共模扼流圈(亦稱共模電感)L、濾波電容C1－C4。L能起到抑制共模干擾的作用,當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時,由于兩個線圈所產(chǎn)生的磁通方向相同,經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大,因此對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗,使之不易通過,故稱作共模扼流圈。C1和C2采用薄膜電容器,容量范圍大致是0.01－0.47(μF),主要用來濾除串模干擾。C3和C4跨接在輸出端,并將電容器的中點接地,與電路中的共模扼流圈L相配合,能有效地抑制共模干擾。

5.2逆變電路

由于這個數(shù)字化通用控制試驗臺既可以用于控制直流電動機,交流電動機,還可以用于控制開關(guān)磁阻電動機,所以,主電路在接法上有所講究。圖5所示即是我們的逆變器部分的電路圖。

圖5 逆變器部分電路圖

當(dāng)我們用于控制直流電動機,交流電動機時,JPU、JPV、JPW閉合,而且分別接電動機的U,V,W三相;當(dāng)我們用于控制開關(guān)磁阻電動機時,把U,V,W三相分別串聯(lián)在JPU、JPV、JPW上。

6 檢測電路

檢測電路的主要模塊包括:相電壓電流采樣電路,直流臂電壓電流的采樣電路。采用霍爾傳感器檢測方式,相電壓和電流信號經(jīng)過傳感器都轉(zhuǎn)換為電流信號,進入采樣板后,先通過一個下拉電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號,再加一級跟隨電路,后接一個二階濾波電路,濾波后調(diào)幅,平移,之后限位。直流母線電壓及電流的采樣同樣采用電壓霍爾傳感器檢測。此電壓霍爾傳感器及電流霍爾傳感器是應(yīng)用霍爾原理的閉環(huán)傳感器。具有高精度、良好的線性度、低溫漂、抗外界干擾能力強、共模抑制比強、反應(yīng)時間快、頻帶寬的特點。

本文作者創(chuàng)新點:

平臺的主控芯片采用了TMS320F2812 DSP,該DSP有很高的運算精度和系統(tǒng)的處理能力,使得該平臺不僅有強大的數(shù)據(jù)處理能力,良好的穩(wěn)定性,還具有對各種電機的通用性。

參考文獻:

[1] 黃濟榮,現(xiàn)代控制理論與交流電機調(diào)速-智能控制[J], 機車電傳動,2005年, 第2期,P7-13

[2] 蘇奎峰,呂強,耿慶峰等,TMS320F2812原理與開發(fā)[M],電子工業(yè)出版社,2005

[3] 王春俠,聶翔. 基于ITAE最優(yōu)的直流電機速度控制器設(shè)計[J]. 微計算機信息, 2007, 10-1: 30-31

[4] 韓亮,張奕黃,基于DSP的開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)在電動汽車中的應(yīng)用[J],電氣應(yīng)用,2005年第24卷第3期,P31-34